Leiter, Halbleiter, Isolator

Seit Klasse 7 sortierst du Stoffe in zwei Schubladen: Leiter und Isolatoren. Silizium passt in keine von beiden.

• Bisherige Einteilung:Metalle leiten den Strom, Kunststoff, Glas und Porzellan nicht — deshalb Draht aus Kupfer, Hülle aus Kunststoff.
• Silizium fällt heraus:Bei Zimmertemperatur leitet es sehr schlecht, erwärmt deutlich besser.
• Steuerbar:Winzige Mengen eines Fremdstoffs machen aus dem schlechten Leiter einen brauchbaren.
• Darum überall:Ein Material, das man leitend oder sperrend schalten kann, steckt in Handy, LED-Lampe und Solaranlage.

Ob ein Stoff leitet, hängt allein davon ab, ob es in ihm frei bewegliche Ladungsträger gibt.

• Strom:Ladungen bewegen sich geordnet in eine Richtung — das geht nur mit frei beweglichen Ladungsträgern.
• Entscheidend:Nicht Farbe oder Härte, sondern allein die Anzahl freier Ladungsträger.
• Spezifischer Widerstand ρ:Maß dafür, wie stark sich das Material dem Strom widersetzt — unabhängig von der Größe des Bauteils.
• Faustregel:Kleines ρ heißt guter Leiter.

Zwischen Kupfer und Glas liegen mehr als 16 Zehnerpotenzen; Silizium liegt ziemlich genau in der Mitte — daher der Name Halbleiter.

Warum Metalle leiten

• Atomrümpfe:Die Atome geben ihre äußeren Elektronen ab und bleiben als positive Rümpfe im festen Kristallgitter zurück.
• Elektronengas:Die abgegebenen Elektronen schwirren frei zwischen den Rümpfen umher.
• Immer vorhanden:Diese Elektronen gibt es bei jeder Temperatur; bei angelegter Spannung setzen sie sich sofort in Bewegung.

Warum Isolatoren nicht leiten

• Fest gebunden:In Glas oder Kunststoff steckt jedes Elektron in einer chemischen Bindung.
• Kein Platzwechsel:Auch eine hohe Spannung bringt diese Elektronen nicht in Bewegung.
• Durchschlag:Erst wenn die Spannung das Material zerstört, fließt Strom — so entsteht der Blitz.

Warum Halbleiter dazwischen liegen

Silizium hat vier Außenelektronen und teilt sich mit jedem seiner vier Nachbarn ein Elektronenpaar.

• Sehr kalt:Alle Elektronen sitzen in Bindungen fest — Silizium ist dann ein perfekter Isolator.
• Zimmertemperatur:Die Atome zittern; ab und zu bricht eine Bindung auf und ein Elektron wird frei beweglich.
• Folge:Silizium leitet ein kleines bisschen — und umso besser, je wärmer es ist.

Im Kristallausschnitt siehst du, wie viele Elektronen sich losreissen und frei durch das Gitter wandern — und rechts, wie hell die angeschlossene Lampe dadurch wird. Achte besonders darauf, was beim Wechsel zwischen Kupfer und Silizium mit der Temperatur passiert.

Beim Kupfer ändert sich fast nichts: Die freien Elektronen sind immer da, die Wärme macht sie nur ein wenig langsamer. Beim Silizium dagegen entstehen die Ladungsträger erst durch die Wärme — kalt ist es ein Isolator, heiß ein passabler Leiter. Beim Glas bleibt es dunkel, egal wie heiß du es machst.

Drei Punkte, an denen im Test regelmäßig etwas durcheinandergeht.